刘仲明 :DNA传感器突破人类感知极限(传感器,生物传感器,探针,电极,电信号,基因,换能器)

刘仲明 :DNA传感器突破人类感知极限(传感器,生物传感器,探针,电极,电信号,基因,换能器)

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在近日召开的美国化学协会第244届全国会议与博览上,一项关于DNA电路的研究拓展了公众对“电路”的认知。原来承载着生命遗传物质的DNA分子,还可以化身为检测基因损伤和错误的生物传感器,它可以被用来诊断、治疗多种疾病。科研工作者是如何利用DNA分子延伸我们的感知能力的?辽宁日报记者就此采访了专家刘仲明 。

用DNA这把“钥匙”开启感知世界的“锁”

Q:最近,在美国化学协会召开的一个会议上,DNA再一次成为众人关注的焦点。但是这一次有些不同,DNA分子所充当的角色不再是生命遗传物质,而变成了传感器的敏感元件。用DNA分子制造的传感器可以被广泛应用到疾病的诊断与治疗中。可以说未来它将与我们的健康息息相关。刘老师,一般人可能不太了解传感器是什么装置,它是干什么用的。请您为我们介绍一下。

A:好的。人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律时或者在生产活动中,它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,我们就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,相当于人的感官。传感器是一个装置,它是一种将非电量信号转变成电信号的装置,这样就能满足信号的传输、处理、储存、显示、记录和控制等要求。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程,甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫太空到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。

Q:传感器分类多种多样,我们提到的DNA分子制作的传感器是哪一种?

A:这种传感器被称之为基因传感器,它是生物传感器的一种。

DNA生物传感器是一种能将目标DNA的存在转变为可检测电信号的传感装置。它由两部分组成,一部分是识别元件,即DNA探针,另一部分是换能器。识别元件主要用来感知样品中是否含有待测的目标DNA;换能器则将识别元件感知的信号转化为可以观察记录的信号(如电流大小、频率变化、荧光和化学发光强度以及光吸收程度等)。通常是在换能器上固化一条单链DNA,通过DNA分子杂交,对另一条含有互补序列的DNA进行识别(碱基互补配对原则),形成稳定的双链DNA,通过声、光、电信号的转换,对目标DNA进行检测。

Q:它是如何为我们延伸感官的呢?

A:其原理是通过固定在传感器或称换能器探头表面上的已知核苷酸序列的单链DNA分子(也称为ssDNA探针)和另一条互补的ss-DNA分子(也称为目标DNA)杂交,形成的双链DNA会表现出一定的物理信号,最后由换能器反应出来。

下面我以DNA电化学传感器检测基因损伤为例,为大家详细解说一下它的工作原理。DNA碱基互补具有选择性和特异性,所以我们常把需要检测的DNA(目标DNA)的互补链作为探针。当探针与目标DNA碱基互补配对成功时,通过DNA链的电流会发生相应的改变,电信号出现变化,这种变化就提示我们两者已经互相吻合了。从另一个角度讲,如果电信号未发生变化,也暗示着这段DNA可能存在损伤。

说得再通俗一点,这就像把一堆铜币堆在一起,恰当对准的话它们就能导电。如果这堆硬币中一个出了差错或放得不好,导电性就会下降。如果是碱基对搭配不当,或出现了可能致癌的损伤,线路就会被打乱,电流就不能畅通。

这就如同用一把钥匙开一把锁,如果钥匙与锁的缺口形状无法吻合,我们就知道它们二者是不匹配的,锁可能出现了问题。如果它们形状吻合,则可依钥匙上的标签判断出锁的属性。

灵敏快速准确非常适合医学检测

Q:DNA分子非常微小而脆弱,我们如何固定并使用它呢?

A:你说的这个问题很重要,生物敏感材料的固定化技术是基因传感器研究的重要一环,也是制备生物传感器的关键。这项技术决定了传感器的功能、性能和质量。说得具体一点还关乎传感器的灵敏度、线性范围、稳定性及使用寿命。现在固定DNA探针的技术有共价键结合法、自组装膜法、电集合法、表面富集法这么几种主要方法。

共价键结合法是通过共价键使生物活性分子与电极表面结合而进行固定的方法。固定电极之前首先要对电极进行活化预处理,再引入活性键合基团(如氨基、羧基等),然后进行表面的共价键合,把含预定功能团的探针分子固定到电极表面。

当然我们还使用自组装法来固定DNA。这项技术一般利用一段带巯基的DNA片段,在金电极表面形成自组装单分子膜来固定核酸探针。

其他还有几种常用的方法,我在这里就不一一介绍了。

Q:DNA传感器作为生物传感器的一种,它有哪些与众不同的特点?

A:DNA传感器是一类特殊的传感器,它是在生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透的基础上成长起来的。它特异性强,DNA分子双链之间具有非常高的特异性识别能力;分析速度快,可以在1分钟得到结果;准确度高,误差极小;操作系统比较简单,容易实现自动分析;成本低,在连续使用时,测定价格低廉。特别是它具有高度自动化、微型化与集成化的特点。

Q:与其他领域相比,DNA传感器在临床医学上的应用离我们更近,也更为大家所关注,您能具体谈一下这方面的应用吗?

A:随着分子生物学的发展,人们逐渐意识到除外伤以外,包括传染性疾病、遗传性疾病及恶性肿瘤等所有的疾病都与基因有关系,因此应用在基因检测方面的DNA传感器就显得十分重要。

比如,乙型肝炎是乙肝病毒(HBV)所引起的一种传播快、潜伏期长、危害广的传染病,我国慢性无症状HBV感染者或慢性无症状HBV携带者已超过1.2亿,是HBV感染者中存在数量最大的群体。如果采用上面我介绍过的自组装单分子膜技术,将巯己基修饰的探针的单链DNA探针固定在金电极表面,制得DNA电化学传感器,以某种电活性物质为指示剂,就可以获得特异性好、灵敏度高、响应时间短的DNA传感器。它对血清样品中乙肝病毒DNA的响应则更理想。换句话说,DNA传感器能帮助我们正确、快速、高质量地检测出受试者体内是否已经感染慢性无症状HBV或者已经携带这种病毒。

众多行业都需要应用前景十分广阔

Q:除了临床医学外,生物传感器还有哪些应用领域?

A:生物传感器在近几十年获得可喜的发展。尤其分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科、新技术结合后,这种发展正在加速进行,并在国民经济的各个部门,如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等领域显露出广泛的应用前景。

比如,葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标,已开发的生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖。食品工业中对食品鲜度尤其是鱼类、肉类的鲜度检测是评价食品质量的一个主要指标。现在已经有人开发出测定鱼降解过程中产生的肌苷一磷酸等物质的浓度,进而评价鱼鲜度的传感器。

近年来,环境污染问题日益严重,人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器生物传感器满足了人们的要求。目前,已有相当部分的生物传感器应用于水环境监测、大气环境监测等领域。

军事医学中,对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素,如炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶尔森菌、埃博拉出血热病毒、肉毒杆菌类毒素等。

此外,在法医学中,生物传感器可用作DNA鉴定和亲子认证等。

A:现在来说,传感器的研究需要在稳定性、可靠性方面寻求新的突破。只有打造更加稳定可靠的生物传感器,临床检验方面应用才会得到大幅度的拓展。

另外,传感器还将朝着微型化、集成化方向发展。随着微加工技术和纳米技术的进步,生物传感器将不断的微型化,各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断、在市场上直接检测食品成为可能。而且,未来的生物传感器必定与计算机紧密结合,自动采集数据、处理数据,更科学、更准确地提供结果,实现采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。随着这两个方向研究的不断深入,产品成本的逐渐下降,曾经在实验室展现巨大应用前景的生物传感器,也将会“飞入寻常百姓家”。

我们还应该看到,生物传感器的研究本质上依仗的是生物学、电子学、材料学的不断进步。尤其新材料技术是我们研究必须瞄准、密切关注的领域,它能促成生物传感器极大的飞跃。 本报记者/王 亮

DNA传感器原理图。

专家档案

刘仲明 广州军区广州总医院高级工程师、技术顾问,多年来一直从事生物传感器的研究工作。曾获全国科学大会奖1项、国家发明三等奖1项、军队科技进步二等奖2项、广东省科技进步二等奖1项。技术二级。 1978年出席了全国科学大会,并被评为全国科技先进工作者,受到党和国家领导人的接见。荣立二等功、三等功各1次。 1993年10月起享受国务院政府特殊津贴。

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